智能温控风扇设计-论文Word格式文档下载.docx
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Keywords:
Intelligentcontrol;
MCU;
Temperature
目录
1引言 1
1.1研究背景及意义 1
1.2研究发展现状 1
1.3发展趋势 2
2方案设计 3
2.1总体方案设计 3
2.2方案比较与选择 3
2.2.1温度传感器选择 3
2.2.2显示器件选择 4
3系统硬件设计 5
3.1应用环境简介 5
3.2总体设计 6
3.3温度采集模块 6
3.3.1功能介绍 6
3.3.2 DS18B20简介 6
3.3.3 温度采集电路设计 7
3.4按键模块 8
3.4.1功能介绍 8
3.4.2按键电路设计 8
3.5单片机控制电路 8
3.5.1功能介绍 8
3.5.2单片机简介 8
3.5.3单片机控制电路设计 10
3.6显示电路 11
3.6.1功能介绍 11
3.6.2 74LS164简介 11
3.6.3 显示电路设计 12
3.7电机控制电路 13
3.7.1功能介绍 13
3.7.2ULN2004芯片介绍 13
3.7.3电机电路的设计 14
4系统软件设计 16
4.1应用环境简介 16
4.2软件设计流程 17
4.3读取温度数据程序设计 18
4.4显示程序设计 21
4.5电机转速控制 23
5 总结 25
参考文献 26
致谢 27
1 引言
1.1研究背景及意义
温度是描述一个目标特点时最重要的数值之一，它与我们的日常生产及生活息息相关，它的测量和调整对控制产品的质量，提高生产效率和加快国家经济的发展有着非常重要的作用[1]。
因此对它的即时、有效的控制具有十分重要的意义，特别是在冶金、化工、机械、电气等方面。
但由于温度本身的非线性以及较大的滞后性等，以及传统温度控制器在系统控制方法以及电路设计等的不足使得传统温度控制器存在许多问题，比如反应时间慢、控制精度低、稳定性差等。
而随着工业生产的不断发展，其对温度控制的各项指标也有了更高的要求，因此，设计研究高精度、稳定、适用性强的温度控制器对工业生产发展具有其积极意义。
而随着温度控制技术的不断发展，在工业研制和生产中，采用电子技术已经成为准确、有效地控制温度的重要途径。
而其中以单片机为核心的温度控制器已广泛应用于社会生活的各个领域，是用途很广的一类工业控制系统。
单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）简称单片机，它是把组成微型计算机的各功能部件：
中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器
ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。
利用单片机作为温度控制器的中心控制器，不但能简化系统设计、提高系统灵活性、稳定性、降低成本，而且可以实现其与PC机的连接通信，大幅度提高温度控制系统的技术
指标，实现智能化控制。
因此，研究基于单片机的温度控制系统将为温度控制系统带来重大发展。
1.2研究发展现状
温度控制器广泛应用于社会各个领域，但根据应用场合以及要求性能的不同使得其也不尽相同。
对于温度控制方面可以分为两代产品：
第一代温度控制器主要是电气式产品。
其温度传感器采用双金属片或气动温包，控制电路大都采用继电器控制电路，虽然结构简单，但由于继电器动作频繁，常导致触点不良而影响温度控制，且其通过“给定温度盘”调整预紧力来设定温度，使得这类控制器普遍存在温度设定过粗、时间常数太大等问题；
第二代温度控制器为电子式产品，其温度传感器采用热敏电阻等，控制温度值通过触摸键和液晶显示屏来设定，通过运算放大电路和开关电路实现双位调节来实现温度控制。
这种控制器解决了温度设定值过粗等问题，但仍存在控制精度不高、时间常数大、操作较复杂等问题。
而随着计算机等技术的迅猛发展以及其与温度控制技术的不段结合，使得温度控制技术在智能化、自适应、参数自整定等方面取得大量成果。
在此基础上，日本、美国、德国等国在温度控制领域都生产出了一批性能优异的温度控制器及仪器数字控制器等。
这些温度控制系统普遍具有参数自整定功能并结合了计算机、通信等技术，运用先进的算法，具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。
但是在我国,尽管已经取得了
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一些成就，但是更多的企业仍值停留在简单的PID控制，与国外相比，我们在智能控制技术领域仍有很大的差距[2]。
目前，国内外生产厂家正在研究开发第三代智能型温度控制器，应用新型控制模型和数控芯片实现智能化控制。
新型智能温控器采用一种全新的控制技术——模糊开关控制，根据实测温度与设定温度值比较结果进行推理运算并发出开关控制信号。
1.3发展趋势
进入21世纪以来，随着工业自动化控制理论、通信技术和计算机技术的迅速发展，温度控制器正朝着高精度、小型化等方向迅速发展。
其具体表现为传感器技术的改进与温度控制算法的改进。
在温度传感器方面，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展：
1）提高温度检测的精度：
目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为
±
0.2℃；
2）增加温度传感器测试功能：
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如，采用DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC）等，使其功能更加完善。
DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部的E2PROM存储器来存储用户的短信息等；
3）温度传感器总线技术的标准化与规范化：
即温度传感系统的总线技术的标准化，所采用主线有单总线、I2C总线、
Smbus总线和SPI总线等；
4）温度传感器可靠性及安全性设计：
采用了高性能的Σ－Δ式
A／Ｄ转换器，结合过采样、噪声整形和数字滤波等技术，来提高有效分辨力。
同时在安全性上还设计了完善的系统过热保护功能等；
5）虚拟温度控制器和网络温度控制器：
虚拟温度控制器是基于温度控制器硬件和计算机平台结合软件开发而成的。
利用软件来完成温度控制器的标定及校准，从而实现最佳性能指标，而网络温度控制器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能温度控制器。
它首先通过数字传感器将被测温度转换为数字量，再送给微控制器处理。
最后将测量结果传输到网络，以实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准；
6）温度控制器单片测温控制系统：
单片系统是在芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108~109元件/片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步[3]。
在温度控制算法方面，近几年发展比较迅速的有：
1）改进PID温度控制；
2）神经网络控制；
3）模糊控制；
4）模糊控制与PID控制结合；
5）模糊控制与与神经网络结合；
6）遗传算法；
8）
模糊控制、神经网络、遗传算法三者结合。
而随着电子技术的发展，控制电路的形式也多种多样,无论是神经网络,模糊控制还是遗传算法,都属于人工智能领域,同PID结合以调节PID参数,适应温控
系统非线性,干扰多,大时延,时变和分布变化的特点[4]。
这些控制方法实现了温控系统的参数自整定，将线性控制与非线性控制相结合，进一步简化了温度控制系统的电路设计，提高了系统的
各项指标。
2方案设计
2.1总体方案设计
温度采集模块
单片机控制器
显示模块
系统设计方框图如图2-1所示。
系统以单片机为核心控制器，由温度采集模块，按键模块，显示模块以及驱动控制模块组成。
工作时，温度采集模块将采集到的水体温度数据传送给单片机，单片机将温度值通过显示模块来显示，并根据温度是否超出设定范围来控制电机停止或启动，进而控制风扇的转速来对水体的温度进行控制，同时使用者可以根据需要通过按键模块来改变温度控制范围。
按键
控制模块
图2-1系统设计方框图
2.2方案比较与选择
2.2.1温度传感器选择
常用的温度传感器有热电偶、热电阻和数字温度传感器。
方案一：
热电偶式温度传感器：
其优点是测量精度高、范围广，且结构简单，价格低，但对放大电路要求较高，热电转换灵敏性差。
方案二：
热电阻温度传感器：
其优点是线性度好，测量准确，测量范围大，而且稳定性好，但是输出为模拟量，需进行AD转换。
方案三：
数字式温度传感器：
数字式温度传感器可以直接将测得的温度值转换为数字量，即其输出可直接被单片机使用，无需AD转换即可实现与单片机之间的通信，简单、方便。
由于本次设计采用AT89S51作为控制核心，如果选用方案一或方案二，需要在传感器与单片机之间连接AD转换电路，使得外围电路连接更加复杂，而选用数字式温度传感器则相对简单，因此本次设计采用数字式温度传感器。
2.2.2显示器件选择
采用LCD液晶显示屏：
液晶显示屏的显示功能强大，可显示文字、图形等，但是价格昂贵，需要的接口线多，且显示亮度低，比较模糊。
采用点阵式数码管显示：
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